地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (2): 515-523   PDF    
利用地震叠前数据预测火山岩裂缝的方法和效果分析——以松辽盆地北部徐家围子断陷营城组火山岩为例
姜传金1, 鞠林波2, 张广颖2, 初丽兰2     
1. 大庆石油学院地球科学学院, 大庆 163318;
2. 大庆油田有限责任公司勘探开发研究院,大庆 163712
摘要: 裂缝问题是火山岩复杂岩性油气藏勘探开发中必须考虑的重要因素之一.火山岩储层裂缝预测的准确性直接影响着油气的产能、钻井工艺和增产改造措施等.本文主要根据等效HTI介质(扩容各向异性介质)的特性,立足地下介质各向异性理论,利用三维地震叠前P波在HTI介质中的属性分布特征来检测裂缝的发育情况.利用三维地震叠前P波裂缝检测技术在松辽盆地北部徐家围子断陷深层营城组火山岩中尝试开展了储层裂缝发育预测研究.通过研究建立了火山岩裂缝地震叠前预测方法,并对营城组火山岩裂缝发育情况进行预测,结果表明裂缝主要分布在工区中部构造高部位,发育方向以北北西向为主.最后利用测井资料和钻井产能资料等进行效果分析,证实该技术对于认识火山岩储层裂缝发育具有实际应用价值,说明应用地震资料开展储层裂缝预测具有横向分辨率高、实现井间分布描述和宏观空间分布规律清楚等特点.
关键词: 徐家围子断陷      火山岩裂缝      各向异性      叠前纵波      地震预测     
The method and effect analysis of volcanic fracture prediction with prestack seismic data ——An example from the volcanic rocks of Yingcheng formation in Xujiaweizi fault depression, north of Songliao basin
JIANG Chuan-Jin1, JU Lin-Bo2, ZHANG Guang-Ying2, CHU Li-Lan2     
1. College of Earth Sciences, Daqing Petroleum Institute, Daqing 163318, China;
2. Exploration and Development Research Institute of Daqing Oilfield Company Ltd, Daqing 163712, China
Abstract: Fracture is one of the most important factors that need to be considered in the oil and gas exploration and development of complicated lithologic reservoirs in volcanic rocks. The accuracy of fracture prediction in volcanic reservoir has influences on the oil and gas production, well drilling techniques and stimulation and reformation measures and so on. According to the characteristics of equivalent HTI media (anisotropic expansion) and the theory of subsurface anisotropy, we use the attribute distribution characteristics of prestack 3D P-wave to detect the development of cracks in HTI media. The fracture development prediction has been carried out with this technique in volcanic rocks of Yingcheng formation in deep layer of Xujiaweizi fault depression, north of Songliao basin. The study establishes the volcanic fracture prediction method, forecasts the development of volcanic rocks in Yingcheng formation. The results show that the fracture mainly located in structural high position in the central work area with dominant development direction of NNW. Finally we make further effect analysis by the use of well logging and well production data. It shows that this technique has some value in practical application for fracture development in volcanic reservoirs, and further it illustrates that fracture prediction by seismic data presents a high lateral resolution, clear cross-well description and vivid macro-space distribution regularity.
Key words: Xujiaweizi fault depression      Volcanic fracture      Anisotrope      Prestack P-wave      Seismic prediction     
1 引 言

徐家围子断陷是松辽盆地北部发育的30多个断陷盆地中规模较大的重要断陷盆地之一[1],2002年以来,徐家围子断陷火山岩勘探取得重大突破,在营城组发现了厚度深,面积广的火山岩气藏,具有良好的规模储量前景.该区营城组火山岩储层以裂缝-孔隙型储层[2]为主,火山岩内气孔、溶蚀孔洞、裂隙发育.火山岩中的裂缝除了本身具有一定的储集能力外,最主要的作用是能够改善储层孔、渗性能.孔、洞常常由裂缝贯通形成储集层,既可增加有效孔隙空间,也可连通孔隙作为油气运移和向井孔渗流的通道,对于气藏的勘探开发具有重要的意义[3].钻井岩芯及测井裂缝研究成果表明,火山岩裂缝形态具有多样性和多尺度性,不仅有构造缝、成岩缝而且有风化缝、溶蚀缝,在形态上表现为高角度缝、水平缝、斜交缝、网状缝[4, 5]等.

火山岩裂缝测井识别与评价研究成果较多[6~9],在气田开发中起到重要的作用,但还是无法评价未钻井区火山岩裂缝的发育情况.应用地震资料预测裂缝的井间分布规律具有实际应用意义.目前已经发展起来的裂缝性储层勘探技术有:S 波勘探、P-S转换波、多分量地震、多方位VSP(verticalseismicprofile)、纵波AVO 等[10~18],其中最有效的方法应属S波分裂技术.但S波受地表影响严重,信噪比和频率较低.多分量地震、多方位VSP、P-S 转换波技术有不错的效果,但要么勘探成本高,要么是非常规地震采集项目,在许多地区难以广泛应用.在各向异性介质中,P 波的AVO 梯度在平行于裂缝走向和垂直于裂缝走向上存在较大差异.这是用P 波检测裂缝的理论基础,与其他技术比较,P 波更低的采集成本和相对成熟的处理技术,使利用纵波来进行裂缝探测更具实用性.文献[19]中P 波方位AVO 对裂缝响应的研究,引发了利用P 波资料检测裂缝和各向异性的热潮[20~26].实践证明,纵波和横波的各向异性响应有很好的相关性[27].

由于火山岩具有岩性、岩相横纵向变化大,非均质性强,其岩石的矿物成分复杂,裂缝、溶蚀孔的类型、组合分布均表现出极强的各向异性等特点[28],使国内外针对火山岩复杂岩性的裂缝研究发展较晚,基本没有成功案例可供借鉴.所有针对火山岩裂缝裂缝的特性,利用叠前地震数据预测火山岩裂缝发育状况是一个值得探索的方法.

2 裂缝预测可行性分析 2.1 叠前地震预测裂缝理论基础

地震叠前裂缝预测技术主要是基于地下介质各向异性理论.通常,可用5 个弹性参数(c11c13c33c44c66)来描述横向各向同性介质,但是这些弹性参数没有明确的物理意义.Thomsen[29]在弱各向异性的前提下提出5个新的弹性参数来描述横向各向同性介质,这5 个弹性参数分别是:垂向P 波速度α、垂向S 波速度β、表示P 波各向异性程度的ε(V)、表示P波在横向和垂向之间各向异性变化快慢程度的δ(V) 及表示快、慢横波速度差异程度的γ.弹性参数和Thomsen 参数之间的关系为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,c55 为弹性参数,且c55 =c66ρ为介质的密度.

Rüger[30]在弱各向异性的概念下,推导出各向异性介质中反射系数与弹性参数之间的解析关系,当入射角较小时,近似表示为

其中,

(6)

式中,Rpp(θφ)为与入射角和方位角有关的纵波反射系数;Z为波阻抗,且Z=ραG为切向模量,且G=ρβ2,Δ 为上、下介质岩性参数之差;上标"-"为上、下介质岩性参数的平均值;α 为纵波速度;β 为横波速度;γδε 为3 个描述介质各向异性的参数;θ为地震波入射的角度;φsym 为裂隙走向的方位角;φ为激发点到接收点的方位角,P为纵波垂直入射时的反射振幅;Giso为振幅随偏移距的变化率(各向同性梯度),指示介质各向同性部分的影响;Gani为振幅随方位角的变化率(各向异性梯度),指示介质各向异性部分的影响.在固定入射角的情况下,式(6)中P波反射振幅响应可以进一步简化为

(7)

利用式(7)可以方便地反演出ABφsym三个与裂隙有关的参数,且φsym指出了裂隙的走向方向,而B/A则可作为裂隙密度的相对度量.

2.2 裂缝地震响应正演模拟

通过正演模型的研究,不仅可以帮助我们建立储层岩石物性的理论模型以及理论上该模型所产生的地震各向异性响应特征,而且有助于分析叠前地震资料预测裂缝的可行性以及方位角的叠加处理.在叠前正演模拟研究中,通过徐家围子断陷安达地区钻井的纵横波速度和岩石密度资料,在给定裂缝密度、所含流体、裂缝宽度/长度比等裂缝参数条件下,建立起与之对应的岩石弹性模量之间的关系,从而构建地震各向异性岩石物性模型,最终实现裂缝储层的地质模型及弹性介质模拟.图 1为DS8井进行裂缝正演模拟,通过试气资料获知其主要产气层深度范围为3064~3074m,位于火山岩上部.因此,我们对其给定裂缝参数,根据岩石物理模型计算井中的含有裂缝的火山岩段在含气情况下的岩石的弹性张量和各向异性等效指数,从而了解裂缝对该井产气层各向异性的岩石物理参数的影响.通过得到井中裂缝的各向异性参数,计算裂缝在井旁地震道的地震响应,如叠前地震反射在各个方位角的响应以及叠前AVO 特征,从而通过其各向异性实现地震反射振幅与裂缝的定向和定量描述.

图 1 DS8井的裂缝含气地震响应正演模拟 (a)DS8正演模型;(b)方位反射率;(c)振幅椭圆. Fig. 1 Forward modeling of seismic response to fractures with gas of in DS8

通过对DS8井的裂缝地震响应正演模拟,表明充填流体的定向高角度开启裂缝发育带,会引起地震波出现异常,这些异常主要表现为地震波的振幅、频率、相位等特征发生变化:① 当入射角较小时,相当于地震波的垂直入射,各方位的反射振幅没有差异.图 1b 中入射角达到12°以上,各方位的反射振幅存在差异,入射角越大,差异越明显,这与理论公式一致.由此,叠前裂缝检测需要尽量利用大入射角即大偏移距的资料,以便更能观察到方位角的变化情况;②在固定方位角情况下,该井目的层的反射振幅随入射角的增大,反射振幅变小;③在固定入射角(入射角需大于0°)情况下,垂直于裂缝方向的振幅大于平行于裂缝方向的振幅,其他方位的振幅介于二者之间.方位角为90°(即正北方向)的振幅是椭圆的短轴,与裂缝方向一致.图 1中椭圆短轴代表裂缝方向;④入射角越大,各方位反射振幅差异越大,因此,在数据允许的情况下,适量抛弃一定的近偏移距数据,使得方位异性综合效应明显,有利于提高裂缝检测的精度.

3 火山岩裂缝叠前地震预测 3.1 叠前地震分方位角处理

针对裂缝预测的地震资料处理,主要是在叠前常规处理的基础上,以正演模型的指导,进行偏移距部分截除和叠前分方位处理.

叠前地震裂缝检测主要应用地震数据的方位AVO 特性.为了凸显该特性,增强地震资料对裂缝的敏感度,在进行分方位处理前,需要对偏移距范围限制范围在200~2000m 之间,这样处理主要是基于以下两个因素的考虑:① 近偏移距数据来自于近垂直入射地震波,而该反射不能反映裂缝介质的方位异性,这样近偏移距数据参与叠加会削弱远偏移距数据携带的裂缝信息,需抛弃一定的近偏移距数据.但抛弃过多的近偏移距数据,会降低地震资料的覆盖次数和信噪比,所以在舍弃部分近偏移距数据时,需要平衡与覆盖次数的关系.②由于远偏移距数据方位角不全,在大于2000m 以后,几乎都集中在东西方向上,即方位角在90°附近,因此,为了与0°方位角数据匹配,方位角数据中也必须抛弃部分远偏移距数据.

本研究区观测系统的方位角-偏移距分布不完全均匀,在一定程度上限制了地震数据的方位处理,需要进行不等方位角划分(表 1).由于原始地震资料覆盖次数比较小,因此,在保证裂缝预测精度的基础上,适量减小方位角组数以保证每组地震资料拥有足够的覆盖次数,提高地震资料的信噪比和稳定性.

表 1 徐家围子断陷安达地区方位角叠加方案 Table 1 Azimuth stacking program in Anda area of Xujiaweizi fault depression
3.2 各向异性裂缝检测

根据各向异性理论,纵波反射系数(绝对值)在平行于裂隙方向达到极大值,在垂直于裂隙方向出现极小值.裂隙的倾角会影响纵波反射系数的大小,倾角越小,纵波方位AVO 差别越小;而且裂隙密度的变化影响着纵波反射系数的大小.所以,定向裂缝带会导致纵波能量衰减和波场干涉等现象,火山岩中高角度裂缝发育带也势必会引起反射延时、强度降低、频率降低等现象,而且裂缝密度越大,现象越明显.

Rüger[31]通过不同的模型研究认为,对于较大的固定入射角,HTI介质的P 波反射系数随入射方位呈现为椭圆,P波反射系数总是在HTI介质的对称轴方向、或者排列片的延伸方向即裂缝方向最大或最小.椭圆的长、短轴大小之比即扁率始终与裂缝密度呈正比,裂缝密度越大,椭圆愈扁.椭圆的长轴还是短轴方位代表裂缝方位,这与实际地层的各种参数有关,可以通过井的模型正演实现.试验证明AVA 技术对裂缝发育的方向比较敏感,本文应用AVA 技术来预测裂缝的方向.

裂缝储层的地震散射理论研究表明[32, 33]:地震频率衰减和裂缝密度场的空间变化有关,沿裂缝走向传播时衰减慢,而垂直裂缝方向衰减快.因此可以采用多信号频率估算技术和基于小波变换的瞬时参数估算技术估算具有物理意义的地震属性参数,包括方位角的功率谱和方位角的瞬时频率随偏移距的变化,借此来确定裂缝的发育密度,裂缝发育密度亦是利用方向椭圆来决定,与裂缝发育方向的确定方法所不同的是始终采用椭圆的长轴与短轴之比来作为裂缝发育密度的度量,所以其最小值为1,表示无各向异性,即无裂缝发育.通过检测结果,本文综合应用AVA 技术和FVA 技术预测裂缝发育的方向和密度.

AVA 与FVA 技术就是在分方位角叠加数据体上检测波阻抗属性与频率衰减属性之间的各向异性,对提取的各向异性值拟合椭圆,求取裂缝发育的方向和密度.

图 2为综合利用各方位角的频率属性与振幅属性对研究区火山岩进行裂缝密度与方向的预测结果.结果表明,裂缝发育带主要集中在DS2-WS101连线一带以及DS8井周围,基本位于工区中部.DS2井与DS8 井裂缝发育方向为北北西-南南东向,WS101发育北北东-南南西向和北西-南东向两组裂缝.

图 2 徐家围子断陷安达地区火山岩裂缝密度与方向检测 (颜色越暖代表裂缝密度越大;线条的方向代表裂缝的发育方向) Fig. 2 Density and orientation detection of volcanic rocks in Anda area of Xujiaweizi fault depression (The warmer colors represent the larger density; the direction of lines represents fracture direction)

根据裂缝密度预测连井剖面(图 3),裂缝发育带呈区域性串珠状、块状分布.工业气井WS101井附近裂缝较为发育,低产气井SS2附近裂缝发育程度较低,说明裂缝预测的发育状况与单井产能基本吻合.

图 3 WS101-SS2井裂缝密度预测连井剖面 Fig. 3 Well tie section of fracture density from WS101 to SS2
4 裂缝预测效果 4.1 与钻井资料对比

FMI测井解释结果(表 2图 4)显示DS2井与WS101井裂缝发育程度较高;DS2 发育一组北北东-南南西向裂缝,WS101 发育北北东-南南西向、北西-南东向和北东-南西向三组裂缝.对比预测结果,可以得到结论:裂缝预测结果与FMI测井解释结果基本一致.

表 2 安达地区营城组火山岩储层FMI测井信息表 Table 2 FMI information table for volcanic reservoirs of Yingcheng formation in Anda area
图 4 单井裂缝发育方向玫瑰图 Fig. 4 Rose map of fracture orientation in single well

根据图 2,DS2 井、DS8 井、WS101 井区裂缝较发育,SS2 井区裂缝发育程度较弱,结合表 3,DS2与WS101为工业气井,DS8井录井显示大部分为水层,SS2井录井显示为差气层和干层,说明预测结果和单井产能资料基本吻合.

表 3 徐家围子断陷安达地区营城组火山岩储层录井与试油信息表 Table 3 Well logging and testing information table for volcanic reservoirs of Yingcheng formation in Anda area, Xujiaweizi fault depression

图 5为地震叠前裂缝预测结果与FMI测井裂缝解释结果交汇图,从图上可以看出:

图 5 裂缝预测结果与FMI测井裂缝解释结果交汇图 Fig. 5 Cross-plot of fracture prediction andfracture interpretation of FMI logging

(1) 地震叠前裂缝预测显示,其强度在1.2(各向异性椭圆扁率,无量纲)以上时,裂缝较为发育,储层多为工业气层或是水层;位于该值以下时,裂缝不发育,储层多为干层或低产气层.裂缝预测结果与单井产能情况基本一致.

(2) 地震叠前裂缝密度预测与FMI测井裂缝具有一定关系,随着各向异性值的增大,成像测井显示其裂缝发育密度也呈增大趋势.地震叠前裂缝预测结果与钻井FMI裂缝发育基本一致.

4.2 裂缝发育地质因素分析

在平面上,根据裂缝预测结果,工区中部裂缝比较发育,裂缝发育程度较高的地区是局部高点所在(如图 6),说明裂缝的产生与古火山活动和构造运动密切相关.

图 6 安达地区营城组上部火山岩裂缝密度发育程度与构造叠合图 Fig. 6 Overlapping map of volcanic fracture densitydevelopment degree and structure of the upper partof volcanic rocks in Yingcheng formation,Anda area

图 7b剖面上(暖色代表裂缝相对发育区,冷色调代表相对不发育区),可以看出裂缝在剖面上并不是杂乱无章的排列,而是以区带性的方式呈珠状和块状分布,这是由于火山岩储层岩性变化较大引起的.

图 7 WS101-DS8连井剖面 (a)地震剖面;(b)裂缝密度剖面. Fig. 7 Well tie section of WS101-DS8 (a) Seismic section; (b) Fractures density section.

通过图 7 可以看出,在WS101 井与DS8 井区目的层裂缝发育程度较高,WS101 的单井产能为222538m3/d,DS8井差气层以下大段含水,分析其原因:WS101井正处在断层的正上方,存在构造运动形成的构造缝,而且本段火山岩大部分属于喷溢相上部亚相,原生孔隙比较发育.DS8井的构造位置位于火山机构顶部,存在流纹岩的原生孔隙和构造运动形成的构造缝[34, 35].综上所述,在剖面上预测结果符合地质规律,与钻井资料一致性很好.

综上所述,裂缝预测密度在平面和剖面上与钻井资料吻合度较高,裂缝预测的方向与钻井FMI测井解释结果一致性较好,符合地质规律,表明利用地震叠前数据预测火山岩裂缝效果较好,对裂缝主导型火山岩油气藏的勘探开发具有一定的指导作用.

5 结论与建议

(1) 地震叠前裂缝预测技术实现过程无须井约束,人为干预少,结果相对客观.在安达地区裂缝预测中,预测结果与已钻井资料基本吻合,说明该方法在深层火山岩储层裂缝预测方面的可靠性,可为火山岩油气藏的勘探开发提供有效的技术支撑.

(2) 应用叠前地震数据开展深层火山岩储层裂缝预测,具有横向分辨率高、实现井间分布描述和宏观空间分布规律清楚等特点.火山岩裂缝发育带主要集中在火山机构主体构造高部位,裂缝的产生与火山活动以及构造运动密切相关.

(3) 应用地震叠前数据进行裂缝预测,最好在野外地震资料采集时,进行宽方位角及高覆盖次数采集;在处理过程中,尽最大能力做到相对保幅、保真处理,以及准确精细的地震构造解释,从而保证预测结果的可靠性.

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